特許 6462503 エンジンスタータシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6462503

(24)【登録日】2019年1月11日

(45)【発行日】2019年1月30日

(54)【発明の名称】エンジンスタータシステム

(51)【国際特許分類】

   F02N 11/04 20060101AFI20190121BHJP

【ＦＩ】

   F02N11/04 A

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-122170(P2015-122170)

(22)【出願日】2015年6月17日

(65)【公開番号】特開2017-8741(P2017-8741A)

(43)【公開日】2017年1月12日

【審査請求日】2017年12月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000144027

【氏名又は名称】株式会社ミツバ

(74)【代理人】

【識別番号】100102853

【弁理士】

【氏名又は名称】鷹野 寧

(72)【発明者】

【氏名】仙波 大助

(72)【発明者】

【氏名】荒巻 典之

(72)【発明者】

【氏名】野口 建

(72)【発明者】

【氏名】大久保 雅通

【審査官】 小笠原 恵理

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１８９６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０８６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４１５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−１７６５６９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｎ １１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳＲモータによりエンジンの始動を行うエンジンスタータシステムであって、
前記ＳＲモータは、複数のポールと該ポールのそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータと同軸に配置されたロータと、を有し、
前記ロータは、前記エンジンのクランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトと同期して回転し、
前記ロータと前記クランクシャフトは、前記エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定の前記ポールが前記ロータの所定の位置と対向するように連結され、
前記コイルは、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイルからなり、
前記エンジンを停止させる際、１相の前記相コイルのみに通電することにより、前記ロータの所定の位置を前記所定のポールと対向させて停止させ、前記ピストンを上死点又は上死点を若干越えた位置にて停止させることを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項2】

請求項１記載のエンジンスタータシステムにおいて、
前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記コイルとは異なる前記コイルに通電することを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項3】

請求項１記載のエンジンスタータシステムにおいて、
前記ポールは前記ステータの径方向内側に向かって突設されるとともに、
前記ロータは、前記ステータの内側に配置され、径方向外側に向かって突設された複数の突極を有し、
前記エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定の前記突極が所定の前記ポールと対向することを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項4】

請求項１記載のエンジンスタータシステムにおいて、
前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記相コイルに隣接する他相の相コイルに通電することを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項5】

ＳＲモータによりエンジンの始動を行うエンジンスタータシステムであって、
前記ＳＲモータは、複数のポールと該ポールのそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータと同軸に配置されたロータと、を有し、
前記ロータは、前記エンジンのクランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトと同期して回転し、
前記ロータと前記クランクシャフトは、前記エンジンの最大乗越しトルク位置において前記ＳＲモータの出力トルクが最大となるように連結され、
前記コイルは、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイルからなり、
前記エンジンを停止させる際、１相の前記相コイルのみに通電することにより、前記エンジンの最大乗越しトルク位置に対応する位置に前記ロータを停止させることを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項6】

請求項５記載のエンジンスタータシステムにおいて、
前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記コイルとは異なる前記コイルに通電することを特徴とするエンジンスタータシステム。

【請求項7】

請求項５記載のエンジンスタータシステムにおいて、
前記エンジン始動時は、前記ＳＲモータの出力トルクが最大となるよう、前記エンジン停止の際に通電した相とは異なる相の前記相コイルに通電することを特徴とするエンジンスタータシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動モータを用いたエンジンスタータシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、エンジンの始動には電動モータを用いたエンジンスタータが使用されている。例えば、特許文献１には、ＳＲモータ（Switched Reluctance Motor）を用いたエンジンのスタータ・ジェネレータが記載されている。近年、エンジン始動用のモータとして、構造が簡単で堅牢なＳＲモータが着目されており、特に、ＳＲモータは、ロータに永久磁石を使用しないことから、レアアース価格の高騰を背景にその利用が拡大している。特許文献１のスタータ・ジェネレータでは、クラッチや減速機などを介して、モータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結されており、エンジン停止時はスタータ（動力機）として、エンジン始動後はジェネレータ（発電機）として機能するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１−２８８５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方、エンジンには回転フリクションがあり、回転フリクションにはさらに周期的な変動（リップル）がある。このため、エンジン始動時においても、シリンダ内におけるピストン位置により、クランク軸を回転させるトルク（クランキングトルク）に差異が生じる。これに対し、従来のマグネットロータを用いたスタータモータでは、エンジンフリクショントルクのリップルに対し、モータの出力余力にて対応している。

【0005】

しかしながら、駆動源である電動モータにもトルクリップルがあり、特にＳＲモータは、マグネットモータに比してトルクリップルが大きい傾向がある。前述のように、従来のエンジンスタータでは、エンジン側のトルクリップルには出力余力にて対応しており、モータ自身のトルクリップルは余り考慮されていない。このため、モータとエンジンのトルクリップルが相反すると、モータトルクがクランキングトルクを下回り、エンジンを始動できないおそれがある。すなわち、図４のＰ部のように、エンジンフリクショントルクのリップルの山がモータトルクのリップルの谷に当たると、出力余力頼りでは、モータトルクが、エンジン始動時における１回目の圧縮工程（４サイクルエンジンにおいては、圧縮工程、２サイクルエンジンにおいては、吸入・圧縮工程）の上死点を乗り越す時の乗越しトルク（最大乗越しトルク）を超えられず、作動不良が生じてしまう可能性がある。この場合、モータトルクの谷がエンジンフリクショントルクの山を上回る設定とすればこのような心配はないが、トルクを増大させるためには、どうしてもモータが大型化してしまうという問題が生じる。

【0006】

本発明の目的は、最小限の出力のモータで確実にエンジンを始動可能なエンジンスタータシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のエンジンスタータシステムは、ＳＲモータによりエンジンの始動を行うエンジンスタータシステムであって、前記ＳＲモータは、複数のポールと該ポールのそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータと同軸に配置されたロータと、を有し、前記ロータは、前記エンジンのクランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトと同期して回転し、前記ロータと前記クランクシャフトは、前記エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定の前記ポールが前記ロータの所定の位置と対向するように連結され、前記コイルは、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイルからなり、前記エンジンを停止させる際、１相の前記相コイルのみに通電することにより、前記ロータの所定の位置を前記所定のポールと対向させて停止させ、前記ピストンを上死点又は上死点を若干越えた位置にて停止させることを特徴とする。

【0008】

本発明にあっては、エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定の前記ポールが前記ロータの所定位置と対向するようにピストンとロータの位置関係が機械的に設定される。エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、エンジン始動時におけるフリクショントルクは最大となる。従って、最大フリクショントルクを最大出力にて乗り越えることができ、最小限の出力のモータでエンジンを始動できる。

【0009】

前記エンジンスタータシステムにおいて、前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記コイルとは異なる前記コイルに通電して前記ＳＲモータを駆動しても良い。

【0010】

また、前記ステータの径方向内側に向かって前記ポールを突設するとともに、前記ロータに、径方向外側に向かって複数の突極を突設し、前記エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定の前記突極が所定の前記ポールと対向するようにしても良い。さらに、前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記相コイルに隣接する他相の相コイルに通電して前記ＳＲモータを駆動しても良い。

【0011】

一方、本発明の他のエンジンスタータシステムは、ＳＲモータによりエンジンの始動を行うエンジンスタータシステムであって、前記ＳＲモータは、複数のポールと該ポールのそれぞれに巻装されたコイルとを備えたステータと、該ステータと同軸に配置されたロータと、を有し、前記ロータは、前記エンジンのクランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトと同期して回転し、前記ロータと前記クランクシャフトは、前記エンジンの最大乗越しトルク位置において前記ＳＲモータの出力トルクが最大となるように連結され、前記コイルは、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイルからなり、前記エンジンを停止させる際、１相の前記相コイルのみに通電することにより、前記エンジンの最大乗越しトルク位置に対応する位置に前記ロータを停止させることを特徴とする。

【0012】

本発明にあっては、エンジン始動時におけるフリクショントルクが最大となるときモータの出力も最大となるよう、ピストンとロータの位置関係が機械的に設定される。従って、最大フリクショントルクを最大出力にて乗り越えることができ、最小限の出力のモータでエンジンを始動できる。

【0013】

前記エンジンスタータシステムにおいて、前記エンジン始動時は、前記エンジン停止の際に通電した前記コイルとは異なる前記コイルに通電して前記ＳＲモータを駆動しても良い。

【0014】

また、前記エンジン始動時は、前記ＳＲモータの出力トルクが最大となるよう、前記エンジン停止の際に通電した相とは異なる相の前記相コイルに通電して前記ＳＲモータを駆動しても良い。

【発明の効果】

【0015】

本発明のエンジンスタータシステムによれば、エンジンのピストンが上死点又は上死点を若干越えた位置にあるとき、所定のポールがロータの所定位置と対向するように対向するようにピストンとロータの位置関係を設定するので、エンジン始動時のフリクショントルクが最大となる上死点位置をモータの最大出力にて乗り越えることが可能となる。従って、最小限の出力のモータでエンジンを始動でき、エンジンスタータの小型化やシステムの信頼性向上を図ることが可能となる。

【0016】

本発明の他のエンジンスタータシステムによれば、エンジン始動時の最大乗越しトルク位置において、電動モータの出力トルクが最大となるようにピストンとロータの位置関係を設定するので、エンジン始動時の最大乗越しトルクをモータの最大出力にて乗り越えることが可能となる。従って、最小限の出力のモータでエンジンを始動でき、エンジンスタータの小型化やシステムの信頼性向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態であるエンジンスタータシステムの構成を示す説明図である。

【図2】図１のエンジンスタータシステムにおけるロータとピストンの位置関係を示す説明図である。

【図3】図３は、当該エンジンスタータシステムの制御手順を示すフローチャートであり、（ａ）は停止時、（ｂ）は再始動時を示している。

【図4】モータのトルクリップルとエンジンフリクショントルクのリップルの関係を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるエンジンスタータシステムの構成を示す説明図である。図１のエンジンスタータシステムは、ブラシレスモータの一種であるＳＲモータを用いたスタータ１と、スタータ１によって始動されるエンジン２とから構成されている。なお、本実施形態では、システム構成を分かり易く示すため、エンジンは単気筒構造とし、図１も、シリンダブロックやモータケース等の周辺部材の図示を省いた形となっている。

【0019】

スタータ１はインナーロータ型の電動モータであり、図示しないモータケース内に固定されたステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ２１とを備えている。ステータ１１は、薄板の電磁鋼板を多数積層して形成されており、リング状のヨーク１２と、ヨーク１２から径方向内側（中心方向）に向かって放射状に突設されたポール１３とを有している。隣接するポール１３の間はスロット１４となっており、ここでは、ポール１３とスロット１４は同じ大きさ（同中心角）に形成されている。ポール１３は周方向に沿って６個等分に設けられている。

【0020】

ポール１３の外周にはコイル１５が巻装されている。コイル１５には、エンジンコントローラの制御の下、バッテリから電流が供給される。コイル１５は、位相を異にする電流が通電供給される複数相の相コイル（ここでは、Ｕ相コイル１５Ｕ,Ｖ相コイル１５Ｖ,Ｗ相コイル１５Ｗの３組）からなり、対向する一対が同相となっている。そして、三対のコイル１５に順次通電することより、スタータ１内には３相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の回転磁界が形成される。

【0021】

ステータ１１と同軸に、その内側にはロータ２１が相対回転可能に挿入されている。ロータ２１はエンジン２のクランクシャフト３１に直結されており、クランクシャフト３１と共に回転する。ロータ２１は、薄板の電磁鋼板を多数積層して形成されたロータコア２２と、ロータコア２２の内側に固定されたロータボディ２３を有している。ロータボディ２３は、クランクシャフト３１の端部に形成されたクランクジャーナル２４に、取付ボルト２５によって固定されている。クランクジャーナル２４は、図示しないメインベアリングによってシリンダブロックに回転自在に支持される。ロータコア２２の外周には、径方向外側に向かって突極２６が突設されている。突極２６は、周方向に沿って４個等分に設けられている。ここでは、突極２６は、ポール１３やスロット１４と同大きさ（同中心角）に形成されている。

【0022】

スタータ１では、ロータ２１の回転角度を図示しないレゾルバにて検出している。エンジンコントローラは、ロータ２１の角度位置に応じて各相コイル１５Ｕ,１５Ｖ,１５Ｗを順次励磁する。コイル１５が励磁されると、それが巻装されたポール１３は順次磁極となり、スタータ１内に回転磁界が形成される。ロータ２１の突極２６は磁化されたポール１３に吸引され、これによりステータ１１内にてロータ２１が回転する。

【0023】

エンジン２は、クランクシャフト３１と接続されたピストン３２を有している。ピストン３２は、シリンダブロック３３に形成されたシリンダボア３４内に配置されている。シリンダボア３４内におけるピストン３２の位置は、図示しないピストン位置センサによって常時検出されている。クランクシャフト３１には、クランクアーム３５とカウンタウエイト３６が設けられている。クランクアーム３５間に取り付けられたクランクピン３７には、ピストン３２とクランクシャフト３１を連結するコンロッド３８が取り付けられている。エンジン始動時には、スタータ１によってクランクアーム３５を回転させることにより、ピストン３２を上下動させる。また、それと同時にシリンダボア３４内に燃料を噴射し、それを適宜燃焼、爆発させ、エンジン２を始動させる。

【0024】

ここで、当該エンジンスタータシステムでは、スタータ１のトルクが最大となるロータ回転位置が、エンジンフリクショントルクが最大となるクランクシャフト回転位置に合うようにロータ２１とクランクシャフト３１の位置関係が設定されている。つまり、スタータ１とエンジン２は、それぞれのトルクリップル波形の山の頂上位置が一致するように機械的な設定が施されている。

【0025】

通常、エンジンフリクショントルクが最大となるのは、ピストン３２が上死点位置にあるときであり、そこが最大乗越しトルク位置となる。一方、スタータ１の出力トルクが最大となるのは、図２のように、一対の突極２６（２６ａ,２６ｃ）がポール１３（例えば、Ｕ相のポール１３Ｕ）と対向し、他の一対の突極２６（２６ｂ,２６ｄ）が隣接するポール１３間にちょうど配置されている状態のときである。このとき、スタータ１のポール１３（同じく、Ｗ相のポール１３Ｗ）を励磁すると、突極２６ｂ,２６ｄには最も大きな吸引力が作用し、スタータ１は最大トルクにて回転する。

【0026】

そこで、スタータ１は、ピストン３２が上死点位置又は上死点位置を若干越えた位置（以下、上死点位置等と略記する）にあるとき、ロータ２１が図２のような状態となるよう、ロータ２１がクランクシャフト３１に取り付けられている。これにより、本発明によるエンジンスタータシステムにおいては、モータの最大トルクにてエンジンを始動でき、出力余力頼りではない、無駄のないエンジン始動動作が可能となる。従って、トルクリップルが大きいＳＲモータを使用しても、最大乗越しトルクを超えらないような作動不良が生じることがなく、最小限の出力のモータにて確実にエンジンを始動でき、スタータ１の小型化やシステムの信頼性向上を図ることが可能となる。

【0027】

また、このような構成を有するエンジンスタータシステムでは、その構造上の利点を最大限に生かすべく、次のようなモータ制御が行われる。図３は、当該エンジンスタータシステムの制御手順を示すフローチャートであり、（ａ）は停止時、（ｂ）は再始動時を示している。ここでは、アイドルストップ車におけるエンジン再始動を想定している。図３に示すように、車両停止に伴い、エンジンコントローラよりエンジンの停止指令が出されると（ステップＳ１）、ピストン３２の位置が検出・判定される（ステップＳ２）。

【0028】

エンジン停止指令を発したエンジンコントローラは、ピストン３２が上死点位置近傍まで来たとき、スタータ１のＵ相コイルのみを通電する（ステップＳ３）。これにより、スタータ１は、突極２６ａ,２６ｃがＵ相のポール１３Ｕと対向した状態で停止する。前述のように、スタータ１では、突極２６ａ,２６ｃがポール１３Ｕと対向したとき、ピストン３２が上死点位置等となるように設定されている（ステップＳ４）。従って、ロータ２１は、ピストン３２が上死点位置等に存在する状態で停止し拘束される（ステップＳ５）。

【0029】

一方、エンジンを再始動させるときは、上死点位置拘束状態（ステップＳ５→Ｓ１１）から、Ｕ相コイルに隣接（ここでは、ロータ回転方向とは逆側に隣接）する他相であるＷ相コイルのみを通電する（ステップＳ１２）。これにより、突極２６ｂ,２６ｄがＷ相のポール１３Ｗに吸引され、スタータ１が最大トルクで回転する。すなわち、エンジンフリクショントルク最大位置（上死点）のエンジンをスタータ１の最大トルクにて始動させる。従って、モータ出力を最大限に生かして確実にエンジンを始動させることが可能となる。そして、その後は励磁するコイルを順次変化させ、ロータ２１を回転させエンジンを始動させる（ステップＳ１３）。

【0030】

このように、本発明のエンジンスタータシステムにあっては、エンジン始動時におけるフリクショントルクが最大となるときモータの出力も最大となるよう、ピストンとロータの位置関係が機械的に設定される。しかも、エンジン停止の際に、再始動に備え、モータ出力が最大となる位置（フリクショントルクも最大）にロータが停止・保持されるように所定の１相にのみ通電する。すなわち、エンジン停止の際は、次回の始動に最適な位置にロータが来るように、簡単な１相通電によるスタンバイ制御を実施する。これにより、エンジン始動時は、隣接する次相に通電を行うだけでモータを最大トルクにて駆動でき、最大フリクショントルクを最大出力にて乗り越えることが可能となる。従って、出力余力頼りの従来のシステムとは異なり、エンジンに対し最適な出力・体格のモータを使用でき、エンジンスタータの小型化やシステムの信頼性向上を図ることが可能となる。

【0031】

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

【0032】

例えば、前述の実施形態では、単気筒エンジンに本システムを適用した例を示したが、４気筒や６気筒などの多気筒エンジンにも本システムは適用可能である。多気筒エンジンは、単気筒エンジンに比してエンジンフリクショントルクの振れ幅は小さいものの、各気筒のトルクリップルを合成した形でリップルは存在している。従って、各エンジンの特性に合わせ、その合成リップルが最大となるクランクシャフト位置とスタータ１の最大トルク位置とを合わせることにより、前述同様、無駄のない確実なエンジン始動が可能となる。

【0033】

また、前述の実施形態では、Ｕ相のポール１３Ｕと対向したとき、ピストン３２が上死点位置（エンジンフリクショントルクの最大位置）となるように設定したが、突極２６を停止・拘束するポール１３の相はＵ相には限定されず、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相の何れでも良い。その場合も、エンジン始動の際には、隣接する相を励磁してスタータ１を最大トルクにて起動させる（Ｖ相停止→Ｕ相起動，Ｗ相停止→Ｖ相起動）。

【0034】

さらに、前述の制御例では、本願発明をアイドルストップ車におけるエンジン停止・再始動に適用した場合について述べたが、アイドルストップ仕様ではない車両のエンジン停止や始動にも本発明は適用可能である。

【0035】

また、前述の実施形態では、スタータ１のポール１３の数を６個、突極２６の数を４個の例を示したが、ポール１３と突極２６の数はこれに限定されない。

【0036】

さらに、前述の実施形態では、スタータ１は、ステータの内側にロータを相対回転自在に配置したインナーロータ型の電動モータの例を示したが、ステータの外側にロータを相対回転自在に配置したアウターロータ型の電動モータにも適用可能である。

【0037】

加えて、本発明は、ＳＲモータを用いたエンジンスタータシステムのみならず、ロータの停止位置を制御可能なモータを用いたスタータシステムに広く適用可能である。例えば、ステッピングモータや、ロータ内にスリットを設けてｄ−ｑ軸を形成しリラクタンストルクのみで駆動するようにしたシンクロナスリラクタンスモータなど、所定の位置にロータを停止・保持可能なモータを用いたスタータシステムにも本発明は適用可能である。

【0038】

一方、前述のスタータ１は、エンジン始動機能のみならず、発電機としての機能を併存させることが可能である。例えば、ロータが回転し突極２６とポール１３が整列したとき、当該ポール１３のコイル１５に瞬時通電することにより、慣性で回り続ける突極２６によって磁束が切られ、コイル１５に誘導電流が生じる。従って、アクセルオフ時に、上述の動作を行うことにより発電作用が生じ、エンジンには制動力（回生ブレーキ）が加わる。この場合、ＳＲモータでは、ロータにマグネットを使用しないため、重量が小さく、レアアース資源の枯渇の影響もない。また、エンジン加速時（コイル無通電時）には発電作用は生じないため、エンジン負荷ともならず、燃費の向上が図られる。さらに、鋼材のみにて装置を構成できるため強度的にも高く、過酷な使用条件にも好適である。

【符号の説明】

【0039】

１ スタータ
２ エンジン
１１ ステータ
１２ ヨーク
１３ ポール
１３Ｕ Ｕ相ポール
１３Ｗ Ｗ相ポール
１４ スロット
１５ コイル
１５Ｕ Ｕ相コイル
１５Ｖ Ｖ相コイル
１５Ｗ Ｗ相コイル
２１ ロータ
２２ ロータコア
２３ ロータボディ
２４ クランクジャーナル
２５ 取付ボルト
２６ 突極
２６ａ〜２６ｄ 突極
３１ クランクシャフト
３２ ピストン
３３ シリンダブロック
３４ シリンダボア
３５ クランクアーム
３６ カウンタウエイト
３７ クランクピン
３８ コンロッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】